EP1845881A1 - Verfahren zur anzeige der position und orientierung eines chirurgischen werkzeuges und vorrichtung zur durchführung dieses verfahrens - Google Patents

Verfahren zur anzeige der position und orientierung eines chirurgischen werkzeuges und vorrichtung zur durchführung dieses verfahrens

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EP1845881A1
EP1845881A1 EP05824373A EP05824373A EP1845881A1 EP 1845881 A1 EP1845881 A1 EP 1845881A1 EP 05824373 A EP05824373 A EP 05824373A EP 05824373 A EP05824373 A EP 05824373A EP 1845881 A1 EP1845881 A1 EP 1845881A1
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EP
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femur
center
joint ball
transverse plane
plane
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Benoît MOLLARD
Cyril Perot
Sergej Kammerzell
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Aesculap AG
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    • A61F2230/0002—Two-dimensional shapes, e.g. cross-sections
    • A61F2230/0017—Angular shapes
    • A61F2230/0026—Angular shapes trapezoidal
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    • C11D—DETERGENT COMPOSITIONS; USE OF SINGLE SUBSTANCES AS DETERGENTS; SOAP OR SOAP-MAKING; RESIN SOAPS; RECOVERY OF GLYCEROL
    • C11D2111/00—Cleaning compositions characterised by the objects to be cleaned; Cleaning compositions characterised by non-standard cleaning or washing processes
    • C11D2111/10—Objects to be cleaned
    • C11D2111/14—Hard surfaces
    • C11D2111/20—Industrial or commercial equipment, e.g. reactors, tubes or engines
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C11D2111/40—Specific cleaning or washing processes
    • C11D2111/42—Application of foam or a temporary coating on the surface to be cleaned

Definitions

  • the invention relates to a method for displaying the position and orientation of a tool for preparing a femur for a femur implant engaging with a joint ball in the acetabulum of the pelvis or in a pelvis inserted in the pelvis, or such a femur implant to be inserted into a femur relative to the femur and Center of the joint ball.
  • a femoral implant In hip joint surgery, it is necessary to insert a femoral implant into the femur after the head of the femur has been removed.
  • the femoral implant is usually adapted to the natural course of the bone and has a leg insertable into the femur, an obliquely departing femoral neck and thereon a ball joint which engages the acetabulum of the pelvis, either in the natural or in most cases in an artificial acetabulum.
  • the femoral implant For insertion of the femoral implant into the femur this must be prepared, and it is customary to accomplish this with the help of rasp-like tools that prepare the medullary canal of the femur so that the shaft of the femoral implant can be inserted into the femur fit, ie such that the implant assumes the desired position and orientation relative to the femur, so that correct positioning of the femur takes place when the joint ball of the femoral implant enters the acetabulum.
  • This object is achieved erf ⁇ n- tion in a method of the type described above, that is in a transverse plane of the femur at the level of the center of the joint ball this and a line of intersection of this transverse plane and an instrumental level, which passes through the center of the ball joint.
  • the surgeon can thus see on the screen once the center of the joint ball and on the other hand, the cutting line, which indicates to him at what angle in the transverse plane intersects the instrument level.
  • the instrument level may be a level of a surgical, rasp-like instrument, but the instrument level may also be a level of the femoral implant.
  • the instrument level may be provided that one chooses the instrument level so that it is the median plane of the tool.
  • the shafts and then the corresponding rasp-like tools have an oval or oblong cross-section, the long axis pointing in the direction of the femoral neck of the femoral prosthesis, ie in the direction of the joint ball.
  • this longitudinal medial plane of the shaft is used as the instrument plane, it is ensured that this plane passes through the joint ball and thus indicates to the surgeon how the direction from the shaft to the point of articulation in the transverse plane runs.
  • the function of the joint center it may be provided according to a preferred embodiment that in the representation of the transverse plane of the femur and the cutting line, an image of a transverse section of the pelvis at the level of the center of the joint ball receiving acetabulum so copied, that the center of the joint ball and the center of the acetabulum coincide.
  • the transverse plane is a plane which passes through the two centers of the acetabulum and runs horizontally when the patient is standing upright. It can be a cross-sectional view, but also about a top view of the pelvis, in which the position of the center of the Acetabu- lum is made visible by the fact that the pelvis is shown partially transparent. It is only essential that the surgeon symbolically shows by this representation that the joint center of the femur is located in the acetabulum of the pelvis.
  • the transverse plane of the femur To locate the transverse plane of the femur, one can preferably determine the position and orientation of the center of the joint ball and the knee joint, for example by palpation of the patella, and also as the connecting line of the two points of the mechanical femur axis, the transverse plane is then perpendicular to this mechanical axis femur and passes through the center of the ball joint.
  • the surgeon can see in the described representation in the change of position and orientation of the tool and / or the femur implant immediately as the intersection between the instrument plane and transverse plane of the femur shifts, with a rotation of the shaft of the machining tool or the femur implant, the angle change this section line in the presentation, with a lateral displacement of the tool shank or the implant shaft without rotation, the line will move parallel to itself.
  • a correct position and orientation of the tool shank and the femoral implant shaft is obtained when the cutting line passes through the image of the center of the joint ball. Since the instrument plane itself passes through the center of the joint ball, this indicates to the operator that both the angular orientation and the lateral displacement of the tool shaft or the femoral implant shaft are correctly selected.
  • the invention is also based on the object to provide a device for carrying out this method.
  • a device with a navigation system with this associated marking elements for the femur, for the pelvis and for the tool or the femur implant, further by a data processing system and activated by this display, wherein it is provided that the Data processing system is programmed so that it represents on the display in a transverse plane of the femur at the level of the center of the joint ball this and a line of intersection of the femoral transverse plane and an instrumental plane passing through the center of the joint ball.
  • the data processing system is programmed to select the center plane of the tool as the instrument plane.
  • the data processing system may be programmed to select as the instrument plane the projection of the longitudinal axis of a holding arm connecting the shaft of a femoral implant or a tool with the joint ball to the transverse plane in the instrument plane.
  • the data processing system is programmed so that it copies an image of a transversal section of the pelvis at the level of the center of the joint ball receiving acetabulum in the representation of the transverse plane of the femur and the cutting line so that the center of the joint ball and the center of the acetabulum coincide.
  • the data processing system may further be programmed to determine a mechanical femoral axis for locating the transverse plane of the femur from the position and orientation of the midpoint of the joint ball and knee joint as the connecting line of the two points and the transverse plane as perpendicular to this mechanical femur axis and through the midpoint the joint ball is calculated going.
  • Figure 1 a schematic view of the pelvis and the femur of a patient and a navigation system with a data processing system and with a display;
  • FIG. 2 shows a schematic view of the pelvis and a part of the femur with an inserted and navigated machining tool, indicating the femoral transversal plane and the instrument plane;
  • FIG. 3 shows a view of the display with a representation of the intersection of the femoral transversal plane and the instrument plane, the center of the condyle and a copied-in representation of the pelvis;
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view of the shank of a rasp-like machining tool according to line 4-4 in FIG. 2; 5 shows a schematic side view of a femoral implant with a shaft, a femoral neck and a joint ball and
  • FIG. 6 shows a sectional view of the femoral implant of FIG. 5 along line 6-6 in FIG. 5.
  • the method according to the invention is used to prepare the femur 1 of a patient for the admission of a femoral implant or to insert a femoral implant into it. This is necessary in a hip joint operation where the natural hip joint is replaced by an artificial socket in the pelvis and a femoral implant with a ball of joint inserted into the remaining femur after removal of the natural femoral head in its place.
  • the femoral implants usually have a shaft which is driven into the medullary canal of the femur, and this medullary space must be prepared accordingly, this preparation is carried out with the aid of a rasp-like tool 2, which is very similar to the shaft of the femur implant and the medullary canal of the femur 1 is prepared in such a way that the insertion of the stem of the femoral implant determines the positioning of the femoral implant in the femur by the geometry of the prepared medullary cavity.
  • the tool 2 is driven into the femur in exactly the desired angular orientation and lateral position during the preparation of the femur, and of course it is essential to place the femoral implant in the correct position in the femur.
  • Correct position means that the laterally projecting arm of the femoral component, which usually carries at its end a ball joint, relative to the pelvis and the socket in the pelvis takes the correct orientation.
  • the surgeon knows where to position the condyle relative to the natural femur, and the geometric data of the femoral implant are known, so that when inserting the femoral implant into the femur, it is always possible to determine the position of the femur implant in the femur to which position of the condyle leads.
  • a marking element 3, a marking element 5 and a marking element 7 on the pelvis 4 are permanently and rigidly attached to the femur 1, wherein the tool 2 could be replaced in the same way by the femoral implant. In the following therefore will be spoken only by the tool 2.
  • the position of the marking elements 3, 5 and 7 can be determined by means of a navigation system 8 known per se, which has, for example, three spatially separate transmitters 9, 10, 11 which emit infrared radiation emitted by spatially separated reflectors of the marking elements 3, 5, 7 reflected and from the working as a receiver transmitters 9, 10, 11 is collected again. From the radiation both the orientation and the position of the marking elements can be calculated in space, so the location of each marking element. Since the marking elements are rigidly connected to the femur, the pelvis or the tool, so that the respective position of the marking elements in the room to determine at any time.
  • the corresponding location data sets are supplied by the navigation system 8 to a data processing system 12, which uses this data for the calculation of further data and, among other things, can generate a visual display on a screen 13.
  • a data processing system 12 uses this data for the calculation of further data and, among other things, can generate a visual display on a screen 13.
  • the position of the knee joint is determined, this can be done by palpation with the aid of a provided with a marker element 6 probe element 14, which is applied with its tip, for example, to the patella of the patient.
  • the data processing system can calculate from the position data of the navigated probe element 14 and the geometric data of the exact location of the palpable marker point on the patella, which is used as a knee joint point.
  • the data processing system then forms the connecting line of the center of the condyle and the knee joint, this connection line is referred to as a mechanical femur axis 15.
  • the data processing system 12 further calculates a femur transverse plane 16 perpendicular to the mechanical femur axis 15 and passing through the center of the articular point. This is a sectional plane assigned to the femur.
  • the tool 2 is assigned an instrument level 17. This may be, for example, a longitudinal center plane.
  • the shaft is, for example, oval-shaped with a long and a short axis, the longitudinal center plane runs along the long axis and in the longitudinal direction of the shaft.
  • the femoral neck 19 which bears on the stem 18 and carries the joint ball 20, likewise extends in the longitudinal center plane of the femur implant, as shown in FIG but also be provided that this connecting arm encloses an angle relative to this plane.
  • the femoral neck is not in the longitudinal center plane of the instrument, but in the plane defined by the connecting arm between the shaft and ball joint level, and this forms the instrument used by the data processing system instrument level.
  • the data processing system receives from the navigation system in each case the position data of the tool 2 and calculates therefrom the position of the respective instrument plane and further the section line 21 of the instrument plane 17 and the femoral transverse plane 16.
  • the display shows this section line in the femoral transverse plane 16, also the center point M. the joint ball 20.
  • this cutting line 21 passes through the center M of the joint ball 20, the tool 2 or the femoral implant is correctly oriented, namely, it is ensured that the instrument plane passes through the center of the joint ball.
  • the surgeon knows he has to move or turn the tool or the femoral implant laterally to reach the desired position.
  • a top view or a horizontal cross-sectional view of a pelvis is displayed on the screen 13, this pelvis representation 23 can be schematic and does not require the anatomical data of the patient, it merely serves to indicate to the surgeon that the midpoint M is also at the same time the center of the joint ball receiving joint socket.
  • this joint socket 22 is visible in the sectional view or in a transparent representation.
  • the pelvis representation 23 is arranged so that the center of the joint socket coincides with the center M of the joint ball 20.
  • the femoral transverse plane will not coincide with the cutting plane resulting in a horizontal cross-sectional view of the pelvis passing through the hip joint centers.

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Abstract

Um bei einem Verfahren zur Anzeige der Position und Orientierung eines Werkzeuges zur Vorbereitung eines Femurs für ein mit einer Gelenkkugel in das Acetabulum der Pelvis oder in eine in die Pelvis eingesetzte Gelenkpfanne eingreifendes Femurimplantat oder eines derartigen in einen Femur einzusetzenden Femurimplantates relativ zum Femur und zum Mittelpunkt der Gelenkkugel dem Operateur eine leicht verständliche und bei der Positionierung des Werkzeuges oder des Femurimplantates zielführende Darstellung zu bieten, wird vorgeschlagen, daß man in einer Transversalebene des Femurs (16) in Höhe des Mittelpunktes (M) der Gelenkkugel (20) diesen und eine Schnittlinie (21) dieser Transversalebene und einer Instrumentenebene (17) darstellt, die durch den Mittelpunkt der Gelenkkugel (20) hindurchgeht. Ebenfalls beansprucht ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

VERFAH REN ZU R ANZEIG E DER POSITION UN D ORIENTIERU NG EIN ES CHIRU RGISCH EN WERKZEUG ES UN D VORRICHTUNG ZUR DURCH FÜH RUNG DIESES VERFAH RE NS
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anzeige der Position und Orientierung eines Werkzeuges zur Vorbereitung eines Femurs für ein mit einer Gelenkkugel in das Acetabulum der Pelvis oder in eine in die Pelvis eingesetzte Gelenkpfanne eingreifendes Femurimplantat oder eines derartigen in einen Femur einzusetzenden Femurimplantates relativ zum Femur und zum Mittelpunkt der Gelenkkugel.
Bei Hüftgelenkoperationen ist es notwendig, ein Femurimplantat in den Femur einzusetzen, nachdem der Kopf des Femurs entfernt worden ist. Das Femurimplantat ist dem natürlichen Knochenverlauf in der Regel angepaßt und weist einen in den Femur einführbaren Schaft, einen schräg davon abgehenden Schenkelhals und daran eine Gelenkkugel auf, die in die Gelenkpfanne der Pelvis eingreift, entweder in die natürliche oder in den meisten Fällen in eine künstliche Gelenkpfanne.
Zum Einsetzen des Femurimplantates in den Femur muß dieser vorbereitet werden, und es ist üblich, dies mit Hilfe raspelähnlicher Werkzeuge zu bewerkstelligen, die den Markraum des Femurs so vorbereiten, daß der Schaft des Femurimplantates paßrichtig in den Femur eingesetzt werden kann, d.h. so, daß das Implantat relativ zum Femur die gewünschte Position und Orientierung einnimmt, so daß beim Eingreifen der Gelenkkugel des Femurimplantates in das Acetabulum eine korrekte Positionierung des Femurs erfolgt. Der Operateur muß dabei das raspelähnliche Werkzeug oder beim Einsetzen des Femurimplantates dieses selbst relativ zum Femur korrekt führen bzw. plazieren, und dazu ist es bekannt, dem Operateur auf einem Bildschirm anzuzeigen, welche Winkel das raspelähnliche Werkzeug oder das Femurimplantat relativ zum Femur einnehmen. Damit ist die Operation zwar durchführbar, die Anzeige von numerischen Winkelangaben ist aber nicht ohne weiteres verständlich und muß vom Operateur erst in die notwendigen Manipulationen umgesetzt werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Anzeige der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß dem Operateur die Veränderung von Position und Orientierung, also der Lage des den Femur vorbereitenden Werkzeuges oder des Femurimplantates so deutlich dargestellt wird, daß er ohne weitere Überlegung durch Änderung der Lage die gewünschte Position erreichen und an einer Anzeige auch ablesen kann.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfϊn- dungsgemäß dadurch gelöst, daß man in einer Transversalebene des Femurs in Höhe des Mittelpunktes der Gelenkkugel diesen und eine Schnittlinie dieser Transversalebene und einer Instrumentenebene darstellt, die durch den Mittelpunkt der Gelenkkugel hindurchgeht.
Der Operateur kann somit auf dem Bildschirm einmal den Mittelpunkt der Gelenkkugel sehen und zum anderen die Schnittlinie, die ihm anzeigt, unter welchem Winkel in der Transversalebene die Instrumentenebene schneidet. Die Instrumentenebene kann dabei eine Ebene eines chirurgischen, raspelähnlichen Instrumentes sein, die Instrumentenebene kann aber auch eine Ebene des Femurimplantates sein. Beispielsweise kann vorgesehen sein, daß man die Instrumentenebene so wählt, daß sie die Mittelebene des Werkzeuges ist. Häufig haben die Schäfte und dann auch die entsprechenden raspelartigen Werkzeuge einen ovalen oder länglichen Querschnitt, wobei die lange Achse in Richtung des Schenkelhalses der Femurprothese weist, also in Richtung auf die Gelenkkugel. Wenn diese Längsmittelebene des Schaftes als Instrumentenebene verwendet wird, ist sichergestellt, daß diese Ebene durch die Gelenkkugel geht und damit dem Operateur anzeigt, wie die Richtung vom Schaft zum Gelenkpunkt in der Transversalebene verläuft.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, daß man die Instrumentenebene so wählt, daß die Projektion der Längsachse eines den Schaft eines Femurimplantates oder eines Werkzeuges mit der Gelenkkugel verbindenden Haltearms auf die Transversalebene in der Instrumentenebene liegt. Es wird dann also nicht die Mittelebene des Werkzeuges oder Instrumentes als Instrumentenebene verwendet, sondern eine Ebene, die durch diese Projektion hindurchgeht. Auch in diesem Falle ist sichergestellt, daß die Instrumentenebene durch die Gelenkkugel geht.
Um dem Operateur die Funktion des Gelenkmittelpunktes deutlich zu machen, kann es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein, daß man in der Darstellung der Transversalebene des Femurs und der Schnittlinie ein Bild eines Transversalschnittes der Pelvis in Höhe des Mittelpunktes des die Gelenkkugel aufnehmenden Acetabulums so einkopiert, daß der Mittelpunkt der Gelenkkugel und der Mittelpunkt des Acetabulums zusammenfallen. Die Transversalebene ist dabei eine Ebene, die durch die beiden Mittelpunkte der Acetabulen hindurchgeht und bei aufrecht stehendem Patienten horizontal verläuft. Es kann sich dabei um eine Querschnittsansicht handeln, aber auch um eine Draufsicht auf die Pelvis, bei der die Lage des Mittelpunktes des Acetabu- lums dadurch sichtbar gemacht wird, daß die Pelvis teilweise durchsichtig dargestellt wird. Wesentlich ist nur, daß dem Operateur durch diese Darstellung symbolisch gezeigt wird, daß der Gelenkmittelpunkt des Femurs im Acetabu- lum der Pelvis angeordnet ist.
Zum Auffinden der Transversalebene des Femurs kann man vorzugsweise die Position und Orientierung des Mittelpunktes der Gelenkkugel und des Kniegelenkes bestimmen, beispielsweise durch Palpation der Kniescheibe, und außerdem als Verbindungslinie der beiden Punkte die mechanische Femurachse, wobei die Transversalebene dann senkrecht auf dieser mechanischen Femurachse steht und durch den Mittelpunkt der Gelenkkugel hindurchgeht.
Der Operateur kann in der beschriebenen Darstellung bei der Änderung der Position und Orientierung des Werkzeuges und/oder des Femurimplantates sofort sehen, wie sich die Schnittlinie zwischen Instrumentenebene und Transversalebene des Femurs verschiebt, bei einer Drehung des Schaftes des Bearbeitungswerkzeuges oder des Femurimplantates wird sich der Winkel dieser Schnittlinie in der Darstellung verändern, bei einer seitlichen Verschiebung des Werkzeugschaftes oder des Implantatschaftes ohne Drehung wird sich die Linie parallel zu sich selbst verschieben. Eine korrekte Position und Orientierung des Werkzeugschaftes und des Femurimplantatschaftes erhält man dann, wenn die Schnittlinie durch das Bild des Mittelpunkts der Gelenkkugel hindurchgeht. Da die Instrumentenebene selbst durch den Mittelpunkt der Gelenkkugel hindurchgeht, zeigt dies dem Operateur an, daß sowohl die Winkelorientierung als auch die seitliche Verschiebung des Werkzeugschaftes oder des Femurimplantatschaftes korrekt gewählt sind. Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit einem Navigationssystem, mit diesem zugeordneten Markierelementen für den Fe- mur, für die Pelvis sowie für das Werkzeug oder das Femurimplantat, weiterhin durch eine Datenverarbeitungsanlage und eine von dieser aktivierten Anzeige, wobei vorgesehen ist, daß die Datenverarbeitungsanlage so programmiert ist, daß sie auf der Anzeige in eine Transversalebene des Femurs in Höhe des Mittelpunktes der Gelenkkugel diesen und eine Schnittlinie der femuralen Transversalebene und einer Instrumentenebene darstellt, die durch den Mittelpunkt der Gelenkkugel hindurchgeht.
Es ist vorteilhaft, wenn die Datenverarbeitungsanlage so programmiert ist, daß sie die Mittelebene des Werkzeuges als Instrumentenebene wählt.
In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Datenverarbeitungsanlage so programmiert sein, daß sie als Instrumentenebene die Projektion der Längsachse eines den Schaft eines Femurimplantates oder eines Werkzeuges mit der Gelenkkugel verbindenden Haltearmes auf die Transversalebene in der Instrumentenebene auswählt.
Besonders günstig ist es, wenn die Datenverarbeitungsanlage so programmiert ist, daß sie in der Darstellung der Transversalebene des Femurs und der Schnittlinie ein Bild eines Transversalschnittes der Pelvis in Höhe des Mittelpunktes des die Gelenkkugel aufnehmenden Acetabulums so einkopiert, daß der Mittelpunkt der Gelenkkugel und der Mittelpunkt des Acetabulums zusammenfallen. Die Datenverarbeitungsanlage kann weiterhin so programmiert sein, daß sie zum Auffinden der Transversalebene des Femurs aus der Position und Orientierung des Mittelpunktes der Gelenkkugel und des Kniegelenks als Verbindungslinie der beiden Punkte eine mechanische Femurachse bestimmt und die Transversalebene als senkrecht auf dieser mechanischen Femurachse und durch den Mittelpunkt der Gelenkkugel gehend berechnet.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
Figur 1 : eine schematische Ansicht der Pelvis und des Femurs eines Patienten sowie ein Navigationssystem mit einer Datenverarbeitungsanlage und mit einer Anzeige;
Figur 2: eine schematische Ansicht der Pelvis und eines Teils des Femurs mit einem eingeführten und navigierten Bearbeitungswerkzeug unter Angabe der femuralen Transversalebene und der Instrumentenebene;
Figur 3: eine Ansicht der Anzeige mit einer Darstellung der Schnittlinie der femuralen Transversalebene und der Instrumentenebene, dem Mittelpunkt des Gelenkkopfes und einer einkopierten Darstellung der Pelvis;
Figur 4: eine Querschnittsdarstellung des Schaftes eines raspelähnlichen Bearbeitungswerkzeuges gemäß Linie 4-4 in Figur 2; Figur 5: eine schematische Seitenansicht eines Femurimplantates mit einem Schaft, einem Schenkelhals und einer Gelenkkugel und
Figur 6: eine Schnittansicht des Femurimplantates der Figur 5 längs Linie 6-6 in Figur 5.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird verwendet, um den Femur 1 eines Patienten für die Aufnahme eines Femurimplantates vorzubereiten oder ein Femurimplantat in diesen einzusetzen. Dies ist notwendig bei einer Hüftgelenksoperation, bei der das natürliche Hüftgelenk ersetzt wird durch eine künstliche Gelenkpfanne in der Pelvis und ein Femurimplantat mit einer Gelenkkugel, die nach Entfernung des natürlichen Femurkopfes an dessen Stelle in den verbleibenden Femur eingesetzt wird. Die Femurimplantate weisen normalerweise einen Schaft auf, der in den Markraum des Femurs eingetrieben wird, und dieser Markraum muß dazu entsprechend vorbereitet werden, diese Vorbereitung erfolgt mit Hilfe eines raspelähnlichen Werkzeuges 2, welches dem Schaft des Femurimplantates sehr ähnlich ausgebildet ist und den Markraum des Femurs 1 formgerecht so vorbereitet, daß beim Einführen des Schaftes des Femurimplantates die Positionierung des Femurimplantates im Femur durch die Geometrie des vorbereiteten Markraumhohlraumes bestimmt wird. Es ist daher sehr wichtig, daß das Werkzeug 2 bei der Vorbereitung des Femurs in genau der gewünschten Winkelorientierung und seitlichen Lage in den Femur eingetrieben wird, außerdem ist es natürlich wesentlich, das Femurimplantat in der richtigen Lage in den Femur einzusetzen. Richtige Lage bedeutet dabei, daß der seitlich abstehende Arm der Femurkomponente, der üblicherweise an seinem Ende eine Gelenkkugel trägt, relativ zur Pelvis und zur Gelenkpfanne in der Pelvis die richtige Orientierung einnimmt. Aufgrund der Vorbereitung der Operation weiß der Operateur, wo relativ zum natürlichen Femur der Gelenkkopf zu plazieren ist, außerdem sind die geometrischen Daten des Femurimplantates bekannt, so daß beim Einsetzen des Femurimplantates in den Femur in jedem Falle feststellbar ist, welche Position das Femurimplantat im Femur zu welcher Position des Gelenkkopfes führt.
Um dies überprüfen zu können, werden am Femur 1 ein Markierelement 3, an der Pelvis 4 ein Markierelement 5 und an dem Werkzeug 2 ein Markierelement 7 dauerhaft und starr befestigt, wobei das Werkzeug 2 in gleicher Weise ersetzt werden könnte durch das Femurimplantat. Im folgenden wird daher ausschließlich vom Werkzeug 2 gesprochen werden.
Die Lage der Markierelemente 3, 5 und 7 kann mittels eines an sich bekannten Navigationssystems 8 bestimmt werden, das beispielsweise drei räumlich voneinander getrennte Sender 9, 10, 11 aufweist, die eine Infrarotstrahlung aussenden, die von räumlich getrennten Reflektoren der Markierelemente 3, 5, 7 reflektiert und von den auch als Empfänger arbeitenden Sendern 9, 10, 11 wieder aufgefangen wird. Aus der Strahlung können sowohl die Orientierung als auch die Position der Markierelemente im Raum errechnet werden, also die Lage jedes einzelnen Markierelementes. Da die Markierelemente starr mit dem Femur, der Pelvis bzw. dem Werkzeug verbunden sind, ist damit auch die jeweilige Lage der Markierelemente im Raum jederzeit zu bestimmen.
Die entsprechenden Lagedatensätze werden von dem Navigationssystem 8 einer Datenverarbeitungsanlage 12 zugeführt, die diese Daten zur Berechnung weiterer Daten verwendet und unter anderem auf einem Bildschirm 13 eine optische Anzeige erzeugen kann. Mit Hilfe der beschriebenen Vorrichtung wird zunächst die Lage des Mittelpunktes der Gelenkkugel relativ zum Femur bestimmt. Diese Bestimmung erfolgt vor der Entfernung des natürlichen Femurkopfes einfach dadurch, daß der Femur relativ zur Pelvis verschwenkt wird. Bei dieser Verschwenkbewegung bewegt sich das Markierelement 3 des Femurs 1 auf einer Kugelschale, deren Mittelpunkt der Mittelpunkt des Gelenkkopfes ist. Die Datenverarbeitungsanlage kann aus dieser Bewegung und den entsprechenden Lagedatensätzen den Mittelpunkt der Gelenkkugel relativ zum Markierelement 3 und damit relativ zum Femur 1 berechnen.
Außerdem wird die Lage des Kniegelenks bestimmt, dies kann durch Palpation mit Hilfe eines mit einem Markerielement 6 versehenen Tastelementes 14 erfolgen, das mit seiner Spitze beispielsweise an die Kniescheibe des Patienten angelegt wird. Die Datenverarbeitungsanlage kann aus den Lagedaten des navigierten Tastelements 14 und den geometrischen Daten desselben die genaue Lage des palpierten Markierpunktes an der Kniescheibe berechnen, der als Kniegelenkpunkt verwendet wird. Die Datenverarbeitungsanlage bildet dann die Verbindungslinie des Mittelpunkts des Gelenkkopfes und des Kniegelenkes, diese Verbindungslinie wird als mechanische Femurachse 15 bezeichnet.
Aus dieser mechanischen Femurachse 15 und der Lage des Mittelpunkts der Gelenkkugel berechnet die Datenverarbeitungsanlage 12 weiterhin eine senkrecht auf der mechanischen Femurachse 15 stehende und durch den Mittelpunkt des Gelenkpunktes hindurchgehende femurale Transversalebene 16, es handelt sich dabei um eine dem Femur zugeordnete Schnittebene.
Dem Werkzeug 2 wird eine Instrumentenebene 17 zugeordnet. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Längsmittelebene handeln. Wie aus der Darstel- lung der Figur 4 deutlich wird, ist der Schaft beispielsweise oval ausgebildet mit einer langen und einer kurzen Achse, die Längsmittelebene verläuft längs der langen Achse und in Längsrichtung des Schaftes.
Wenn ein Femurimplantat mit ähnlicher Schaftform verwendet wird, kann vorgesehen sein, daß der sich an den Schaft 18 anschließenden Schenkelhals 19, der die Gelenkkugel 20 trägt, ebenfalls in der Längsmittelebene des Femur- implantats verläuft, wie dies in Figur 6 dargestellt ist, es kann aber auch vorgesehen sein, daß dieser Verbindungsarm einen Winkel gegenüber dieser Ebene einschließt. Beim formgerechten Einsetzen des Schaftes in eine von dem Werkzeug vorbereitete Öffnung liegt dann der Schenkelhals nicht in der Längsmittelebene des Instrumentes, sondern in der durch den Verbindungsarm zwischen Schaft und Gelenkkugel aufgespannten Ebene, und diese bildet die von der Datenverarbeitungsanlage verwendete Instrumentenebene.
Die Datenverarbeitungsanlage erhält vom Navigationssystem jeweils die Lagedaten des Werkzeuges 2 und berechnet daraus die Lage der jeweiligen Instrumentenebene und weiterhin die Schnittlinie 21 der Instrumentenebene 17 und der femuralen Transversalebene 16. Auf der Anzeige wird diese Schnittlinie in der femuralen Transversalebene 16 angezeigt, außerdem der Mittelpunkt M der Gelenkkugel 20.
Wenn diese Schnittlinie 21 durch den Mittelpunkt M der Gelenkkugel 20 hindurchgeht, ist das Werkzeug 2 oder das Femurimplantat richtig orientiert, es ist nämlich dann sichergestellt, daß die Instrumentenebene durch den Mittelpunkt der Gelenkkugel hindurchgeht. Wenn dagegen Abweichungen vorliegen, weiß der Operateur, daß er das Werkzeug oder das Femurimplantat seitlich verschieben oder drehen muß, um die gewünschte Lage zu erreichen. Zusätzlich wird auf dem Bildschirm 13 eine Draufsicht oder eine horizontale Querschnittansicht einer Pelvis abgebildet, diese Pelvisdarstellung 23 kann schematisch sein und benötigt nicht die anatomischen Daten des Patienten, sie dient lediglich dazu, dem Operateur anzuzeigen, daß es sich bei dem Mittelpunkt M gleichzeitig auch um den Mittelpunkt der die Gelenkkugel aufnehmenden Gelenkpfanne handelt. Zu diesem Zweck ist diese Gelenkpfanne 22 in der Schnittdarstellung oder in einer Transparentdarstellung sichtbar. Die Pelvisdarstellung 23 wird dabei so angeordnet, daß der Mittelpunkt der Gelenkpfanne mit dem Mittelpunkt M der Gelenkkugel 20 zusammenfällt.
Normalerweise wird die femurale Transversalebene nicht mit der Schnittebene zusammenfallen, die sich bei einer horizontalen durch die Hüftgelenkmittel- punkte verlaufenden Querschnittsansicht der Pelvis ergibt.
Es besteht aber die Möglichkeit, aus der Lage der femuralen Transversalebene relativ zu dieser horizontalen Querschnittsebene einen Datensatz zu bestimmen, der beschreibt, wie der Femur und die mit dem Femur verbundenen Teile verschoben und verschwenkt werden müssen, damit die femurale Transversalebene mit dieser horizontalen Querschnittsebene, die als Transversalebene der Pelvis bezeichnet wird, zusammenfällt. Wenn der Femur in einer Stellung steht, bei der diese beiden Ebenen zusammenfallen, spricht man von einer neutralen Position des Femurs.
Unter Verwendung dieses Transformationsdatensatzes wäre es dann auch möglich, statt eines Schnittes in der Transversalebene des Femurs einen Schnitt in der Transversalebene der Pelvis darzustellen, da beide Ebenen in der neutralen Position zusammenfallen. Voraussetzung ist aber, daß die die Position des Femurs und der damit starr verbundenen Teile angebenden Positions- und Orientierungsdaten so umgerechnet werden, daß sich der Femur relativ zur Pelvis in der neutralen Position befindet.

Claims

PATENTANSPRÜCH E
1. Verfahren zur Anzeige der Position und Orientierung eines Werkzeuges zur Vorbereitung eines Femurs für ein mit einer Gelenkkugel in das Ace- tabulum der Pelvis oder in eine in die Pelvis eingesetzte Gelenkpfanne eingreifendes Implantat oder eines derartigen in einen Femur einzusetzenden Femurimplantates relativ zum Femur und zum Mittelpunkt der Gelenkkugel, dadurch gekennzeichnet, daß man in einer Transversalebene des Femurs in Höhe des Mittelpunktes der Gelenkkugel diesen und eine Schnittlinie dieser Transversalebene und einer Instrumentenebene darstellt, die durch den Mittelpunkt der Gelenkkugel hindurchgeht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Instrumentenebene so wählt, daß sie die Mittelebene des Werkzeuges ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Instrumentenebene so wählt, daß die Projektion der Längsachse eines den Schaft eines Femurimplantates oder eines Werkzeuges mit der Gelenkkugel verbindenden Haltearmes auf die Transversalebene in der Instrumentenebene liegt.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man in der Darstellung der Transversalebene des Femurs und der Schnittlinie ein Bild eines Transversalschnittes der Pelvis in Höhe des Mittelpunktes des die Gelenkkugel aufnehmenden Acetabulums so einkopiert, daß der Mittelpunkt der Gelenkkugel und der Mittelpunkt des Acetabulums zusammenfallen.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man zum Auffinden der Transversalebene des Femurs die Position und Orientierung des Mittelpunktes der Gelenkkugel und des Kniegelenkes bestimmt, als Verbindungslinie der beiden Punkte die mechanische Femurachse bestimmt und die Transversalebene des Femurs als senkrecht auf der mechanischen Femurachse und durch den Mittelpunkt der Gelenkkugel gehend bestimmt.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man das Werkzeug oder das Femurimplantat relativ zum Femur so orientiert, daß die Schnittlinie durch die Abbildung des Mittelpunktes der Gelenkkugel hindurchgeht.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einem Navigationssystem (8) mit dem Femur (16), der Pelvis (4) sowie dem Werkzeug (2) oder dem Femurimplantat zugeordneten Markierelementen (3, 5, 7) zur Lagebestimmung dieser Teile und mit einer dem Navigationssystem (8) zugeordneten Datenverarbeitungsanlage (12), die eine Anzeige aktiviert, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten- verarbeitungsanlage (12) so programmiert ist, daß sie auf der Anzeige (13) in eine Transversalebene des Femurs (16) in Höhe des Mittelpunktes (M) der Gelenkkugel (20) diesen und eine Schnittlinie (21) der Transversalebene des Femurs (16) und einer Instrumentenebene (17) darstellt, die durch den Mittelpunkt (M) der Gelenkkugel (20) hindurchgeht.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungsanlage (12) so programmiert ist, daß sie die Mittelebene des Werkzeuges (2) als Instrumentenebene (17) wählt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungsanlage (12) so programmiert ist, daß sie die Instrumentenebene (17) so auswählt, daß die Projektion der Längsachse eines den Schaft (18) eines Femurimplantates oder eines Werkzeuges mit der Gelenkkugel (20) verbindenden Haltearmes (19) auf die Transversalebene des Femurs (16) in der Instrumentenebene (17) liegt.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungsanlage (12) so programmiert ist, daß sie in der Darstellung der Transversalebene des Femurs (16) und der Schnittlinie (21) ein Bild (23) eines Transversalschnittes der Pelvis in Höhe des Mittelpunktes des die Gelenkkugel (20) aufnehmenden Acetabulums so einkopiert, daß der Mittelpunkt der Gelenkkugel (20) und der Mittelpunkt des Acetabulums zusammenfallen.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungsanlage so programmiert ist, daß sie zum Auffinden der Transversalebene des Femurs (16) aus der Position und Orientierung des Mittelpunktes der Gelenkkugel (20) und des Kniegelenks als Verbindungslinie dieser beiden Punkte die mechanische Femur- achse (15) bestimmt und die Transversalebene des Femurs (16) als senkrecht auf der mechanischen Femurachse (15) und durch den Mittelpunkt der Gelenkkugel (20) gehend bestimmt.
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